長(zhǎng)期定位施肥條件下紫色土無(wú)機(jī)磷形態(tài)演變研究

韓曉飛，高明，謝德體*，王子芳，陳晨

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2.遼寧省發(fā)展與改革委員會(huì)農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

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長(zhǎng)期定位施肥條件下紫色土無(wú)機(jī)磷形態(tài)演變研究

韓曉飛1，高明1，謝德體1*，王子芳1，陳晨2

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2.遼寧省發(fā)展與改革委員會(huì)農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

摘要：應(yīng)用蔣柏藩-顧益初無(wú)機(jī)磷分級(jí)體系對(duì)22年長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)紫色土0～100 cm土層無(wú)機(jī)磷形態(tài)進(jìn)行分級(jí)測(cè)定，研究了各形態(tài)的無(wú)機(jī)磷在土壤剖面的分布及演變規(guī)律。結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化學(xué)磷肥以及有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理的土壤全磷、有效磷和各形態(tài)無(wú)機(jī)磷均較試驗(yàn)前有不同程度的增加，且以豬糞+NPK(M+NPK)處理土壤增加最多，其中有效磷含量增加了6倍；不施肥(CK)和單施氮肥(N)的處理土壤有效磷、全磷和各形態(tài)無(wú)機(jī)磷出現(xiàn)了下降，其中有效磷含量分別降低了51.1%和53.5%。除了Fe-P 和Ca(10)-P含量下層高于上層外其余各形態(tài)無(wú)機(jī)磷都表現(xiàn)為耕層高于下層的特征。各處理Ca2-P、Al-P、Ca8-P、O-P等無(wú)機(jī)磷的剖面分布較為相似，均呈20～60 cm下降比較迅速，80～100 cm變化不大或者稍微上升的趨勢(shì)，而Fe-P則表現(xiàn)為下層含量高于耕層。相關(guān)分析表明各組分無(wú)機(jī)磷對(duì)紫色土有效磷的貢獻(xiàn)為Ca2-P(0.9569)>Al-P(0.9265)>Ca8-P(0.9100)>Fe-P(0.8277)>Ca(10)-P(0.7449)>O-P(0.7362)。長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可以顯著增加磷素在土壤中的累積，并能減少土壤對(duì)磷素的固定，增強(qiáng)其在土壤中的移動(dòng)，促進(jìn)土壤磷素向有效態(tài)轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：紫色土；長(zhǎng)期定位試驗(yàn)；無(wú)機(jī)磷形態(tài)

磷素作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，植株所需的磷主要從土壤本身磷庫(kù)和外界所施入土壤的磷肥中獲得的。土壤磷素形態(tài)主要由有機(jī)態(tài)和無(wú)機(jī)磷組成，無(wú)機(jī)磷占土壤磷總量的60%～80%[1]，是植物所需磷素的主要來(lái)源。磷素在土壤中的化學(xué)行為和存在形態(tài)，直接影響著對(duì)作物的有效性。磷肥施入農(nóng)田容易被土壤固定形成難以被植物利用的形態(tài)，當(dāng)季利用率一般僅為10%～25%[2]。維持農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，勢(shì)必每年要向土壤中施加大量磷肥，土壤中各形態(tài)無(wú)機(jī)磷均會(huì)有不同程度的累積，過(guò)量施用化學(xué)磷肥與生物有機(jī)肥可以使土壤表層的磷素顯著增加[3-9]，進(jìn)而導(dǎo)致磷素的徑流流失，給環(huán)境帶來(lái)一系列問(wèn)題，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磷的流失已經(jīng)成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要影響因子，研究發(fā)現(xiàn)徑流水中磷濃度與施入土壤中的磷肥量直接相關(guān)[10-11]。耕層土壤磷素的累積也會(huì)導(dǎo)致磷垂直遷移的可能性增大，因此研究長(zhǎng)期施肥條件下土壤磷素的肥力特征和界面遷移意義重大。國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤剖面磷素的分布已經(jīng)有一些研究[7,12-17]，但對(duì)長(zhǎng)期定位施肥的紫色土磷素的空間分布研究并不多，而經(jīng)過(guò)22年不同施肥處理紫色土壤中無(wú)機(jī)磷組分變化及其關(guān)系的研究就很少見(jiàn)。本研究應(yīng)用蔣柏藩-顧益初[18]無(wú)機(jī)磷分級(jí)體系對(duì)重慶北碚的水稻(Oryzasativa)-小麥(Triticumaestivum)水旱輪作區(qū)紫色土上的22年長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)0～100 cm土層土壤無(wú)機(jī)磷的形態(tài)組成進(jìn)行了分級(jí)測(cè)定，并運(yùn)用相關(guān)分析，逐步回歸分析對(duì)土壤無(wú)機(jī)磷各組分與速效磷之間的關(guān)系進(jìn)行研究，揭示紫色土中無(wú)機(jī)磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化及在土體中的空間分布和移動(dòng)規(guī)律，以期能為在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中制定更好的土壤磷管理措施以及保障該地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試土壤與試驗(yàn)處理

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在國(guó)家紫色土土壤肥力與肥料效益長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)基地(以下稱(chēng)長(zhǎng)期定位點(diǎn))，長(zhǎng)期定位點(diǎn)基地位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)，試驗(yàn)土壤為侏羅紀(jì)沙溪廟組紫色泥頁(yè)巖發(fā)育形成的紫色土，中性紫色土亞類(lèi)，灰棕紫泥土屬。重慶大部分區(qū)縣多分布于此類(lèi)土壤，因此，用作供試土壤具有廣泛的代表性。試驗(yàn)始于1991年，為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。共設(shè)計(jì)12個(gè)處理，小區(qū)面積120 m2，輪作方式為一年兩季水稻-小麥水旱輪作。本研究選取其中的6個(gè)處理：1)CK(不施肥)；2)N；3)NP；4)NPK；5)M+NPK；6)S+NPK。其中氮肥用尿素，磷肥用普通過(guò)磷酸鈣，鉀肥用硫酸鉀，每季施用N 150 kg/hm2，P2O575 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2，M代表豬糞有機(jī)肥(豬糞經(jīng)過(guò)1周左右腐熟)，其中的大量營(yíng)養(yǎng)元素全氮、磷、鉀含量分別為1.34%，1.30%，0.80%，施用量每年22500 kg/hm2，S代表稻草秸稈還田，其中的營(yíng)養(yǎng)元素含量折合成N、P2O5、K2O分別為0.49%，0.18%，0.75%，施用量每年7500 kg/hm2。水稻品種為汕優(yōu)63號(hào)、小麥品種用西農(nóng)麥1號(hào)。試驗(yàn)前土壤(before farming，BEF)的基本理化性質(zhì)為，pH 7.7±1.4，有機(jī)質(zhì)(23.9±1.88) g/kg，全氮(1.29±0.78) g/kg，全磷(0.48±0.51) g/kg，全鉀(22.7±1.06) g/kg，堿解氮(93.2±1.32) mg/kg，有效磷(4.3±1.01) mg/kg，速效鉀(71.1±1.89) mg/kg。

1.2測(cè)定項(xiàng)目及其方法

2013年8月水稻收獲后，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)分別采用S形多點(diǎn)采樣法，分別采集各處理0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm層次土樣，重復(fù)3次，相同層次的土樣混合均勻，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、過(guò)篩，測(cè)定全磷，有效磷，pH，有機(jī)質(zhì)及各層次的Ca2-P、Al-P、Fe-P、Ca8-P、O-P(閉蓄態(tài)磷)與Ca10-P等6種形態(tài)磷含量，土壤基本理化性質(zhì)按常規(guī)方法測(cè)定[19]，土壤全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法；土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；土壤pH用去離子水按土水比(1∶2.5)浸提，pH計(jì)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法。無(wú)機(jī)磷分級(jí)浸提采用蔣柏藩和顧益初[18]的方法，土壤無(wú)機(jī)磷總量為各形態(tài)無(wú)機(jī)磷含量之和，耕層無(wú)機(jī)磷各組分相對(duì)含量為各形態(tài)無(wú)機(jī)磷占無(wú)機(jī)磷總量的百分比。

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖及統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0。

2結(jié)果與分析

2.1長(zhǎng)期定位施肥對(duì)紫色土耕層土壤全磷、無(wú)機(jī)磷、有效磷含量的影響

由表1可以看出，經(jīng)過(guò)22年的長(zhǎng)期不均衡定位施肥處理后，土壤耕層中全磷、無(wú)機(jī)磷、有效磷含量都發(fā)生了很大的變化。所有施磷處理耕層土壤的全磷、有效磷含量都明顯上升，不施用磷肥處理的耕層土壤全磷、有效磷都緩慢下降(表1)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)軟件方差分析得出，長(zhǎng)期不均衡定位施肥紫色土壤全磷含量各處理之間差異極顯著(P<0.01)，有效磷含量除了不施肥處理和只施氮肥處理沒(méi)有顯著性差異外，其他各處理之間差異顯著(P<0.05)。全磷變化范圍為339.2～887.9 mg/kg，有效磷為2.0～30.5 mg/kg，各處理大小依次為M+NPK>S+NPK>NPK>NP>CK>N。值得關(guān)注的是不施肥處理和只施氮肥處理的土壤有效磷含量已經(jīng)從22年前的4.3 mg/kg下降到了如今的2.0 mg/kg附近，已經(jīng)達(dá)到了缺磷狀態(tài)，作物產(chǎn)量也受到了影響，而其他施用磷肥處理土壤有效磷含量上升到了24.9～30.5 mg/kg，有效磷含量達(dá)到了比較豐富的水平。 由上述分析可以看出， 長(zhǎng)期不均衡施用肥料，會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的非均衡化，一方面會(huì)導(dǎo)致土壤磷素的大量累積(如M+NPK處理)，另一方面也會(huì)導(dǎo)致土壤磷素的嚴(yán)重匱乏(如CK、N處理)，從而會(huì)嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量。Shen等[20]在研究長(zhǎng)期施肥對(duì)石灰性土壤磷組分的影響中也發(fā)現(xiàn)不施加磷肥處理的土壤有效磷會(huì)顯著降低，但是有磷素投入的情況下卻保持相對(duì)穩(wěn)定且增加水平。Song等[21]和張麗等[22]在黑土上研究也得出有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施可以提高土壤有效磷的含量。

表1　不同施肥處理土壤全磷、無(wú)機(jī)磷和有效磷含量

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，不同大寫(xiě)字母表示差異極顯著(P<0.01)，下同。

Note：Different minuscule letters from the same column mean significantly different at 5% level, different majuscule letters mean significantly different at 1% level, the same below.

同時(shí)從表1還可以看出經(jīng)過(guò)22年的長(zhǎng)期不均衡施肥處理后土壤中各形態(tài)的無(wú)機(jī)磷含量都發(fā)生了很大的變化，長(zhǎng)期不施肥CK處理和長(zhǎng)期只施用N肥處理，土壤中無(wú)機(jī)磷總量都減少比較明顯，分別減少了133.0和85.1 mg/kg。主要是因?yàn)殚L(zhǎng)期不施用肥料，土壤中營(yíng)養(yǎng)元素供應(yīng)不足，農(nóng)作物消耗了土壤中的各種無(wú)機(jī)形態(tài)的磷素，造成了土壤中磷素的匱乏。單施N肥的處理由于土壤中氮肥供應(yīng)充足，植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要養(yǎng)分限制因子是磷，所以說(shuō)就會(huì)促進(jìn)作物對(duì)磷的大量吸收，也使土壤中磷素大量減少。其他施肥處理無(wú)機(jī)磷總量相對(duì)于試驗(yàn)前土壤都有不同程度的提高，有機(jī)無(wú)機(jī)配施的M+NPK、S+NPK處理提高明顯，其中尤以豬糞配施無(wú)機(jī)肥處理(M+NPK)為最多，這可能是因?yàn)樨i糞中一半的磷是以無(wú)機(jī)磷形態(tài)存在的[23]，而豬糞的分解半衰期較長(zhǎng)，秸稈及其綠肥的較短[24]，因此豬糞有機(jī)肥就比其他肥料累積在土壤中的多，并且被微生物固定所需的時(shí)間長(zhǎng)，故土壤中磷含量就比較高。

2.2長(zhǎng)期定位施肥對(duì)耕層土壤無(wú)機(jī)磷形態(tài)含量的影響

由表2可以看出，各處理Ca2-P和 Ca8-P含量間差異達(dá)到了極顯著水平(P<0.01),含量范圍為2.1～24.5 mg/kg和12.4～38.1 mg/kg(表2)。各處理大小分別為M+NPK>S+NPK>NPK>NP>N>CK和M+NPK>S+NPK>NP>NPK>N>CK。各處理大小順序與有效磷、全磷差不多。不論是Ca2-P還是Ca8-P，其含量均為單施N肥處理和不施用化肥的處理最低，且均低于試驗(yàn)前土壤，尤其不施肥處理的減少更為明顯，僅分別為2.1和12.4 mg/kg。Ca2-P作為植物的高效有效磷源已被證實(shí)[19,25]，此等缺乏，勢(shì)必會(huì)影響到作物的生長(zhǎng)發(fā)育。有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理的土壤無(wú)論是Ca2-P還是Ca8-P其含量均明顯高于單施化肥和不施肥處理的，其中豬糞配施化肥的Ca2-P含量是不施肥處理含量的12倍之多，差異極顯著。由此可見(jiàn)，在施用無(wú)機(jī)化肥的基礎(chǔ)上配合使用有機(jī)肥能顯著提高土壤中的Ca2-P和Ca8-P含量。這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)期向土壤中施用有機(jī)肥可以使其中的有機(jī)質(zhì)累積，一方面有機(jī)肥中有機(jī)態(tài)磷經(jīng)過(guò)礦化作用轉(zhuǎn)變成對(duì)作物有效的礦質(zhì)態(tài)磷[26]，同時(shí)，有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)絡(luò)合劑能降低土壤自身對(duì)磷的吸附，利于磷從不溶性磷酸鹽中釋放出來(lái)，向更有效的態(tài)方向轉(zhuǎn)化。黨廷輝和張麥[27]研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)配施有利于增加土壤無(wú)機(jī)磷的供應(yīng)容量，并能極大地增加其有效性。

表2　不同施肥處理各形態(tài)無(wú)機(jī)磷含量

Fe-P和Al-P已經(jīng)證實(shí)也是植物的一種有效磷源，其中Al-P的作用與Ca2-P相當(dāng)[19]。其含量范圍為6.1～133.7 mg/kg和11.4～82.9 mg/kg(表2)。各處理含量大小與Ca2-P基本一致。其中含量最低的是單施N肥和不施肥的CK處理，M+NPK處理和S+NPK處理土壤的Fe-P，Al-P平均含量為123.7和72.9 mg/kg，高于單獨(dú)施用化肥和不施肥處理，且各處理間差異達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。

Ca10-P和O-P作為植物的潛在磷源，與Ca2-P和Ca8-P不同的是NP、NPK、N、CK各處理其含量相對(duì)于試驗(yàn)前土壤都有所下降，Ca10-P含量在180.2～214.5 mg/kg之間，平均為201.0 mg/kg，相比試驗(yàn)前土壤下降了8%，M+NPK處理和S+NPK處理土壤的Ca10-P有所上升，可見(jiàn)，當(dāng)有效磷源與緩效潛在磷源累積到一定程度時(shí)候，他們之間可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，長(zhǎng)期單施化學(xué)肥料或者不施肥處理，植物在從土壤中吸收有效磷素的同時(shí),Ca10-P潛在磷源也可以慢慢轉(zhuǎn)化為有效的可供植物體吸收的有效磷源。單施氮肥N和不施肥CK處理的O-P含量相比試驗(yàn)前土壤有明顯下降，分別下降了35.8%和44.3%，說(shuō)明長(zhǎng)期沒(méi)有磷素投入補(bǔ)償?shù)那闆r下，O-P和Ca10-P一樣,都能慢慢地轉(zhuǎn)化成能被植物利用的有效磷源，這與林利紅等[28]和韓曉日等[7]在棕壤上的研究一致。有機(jī)肥配施或者有外源磷肥施入的處理，O-P含量就增加比較顯著。

2.3長(zhǎng)期定位施肥對(duì)紫色土耕層無(wú)機(jī)磷各組分相對(duì)含量的影響

圖1為長(zhǎng)期不均等定位施肥土壤中Al-P、Fe-P、Ca10-P、Ca8-P、Ca2-P、O-P占總無(wú)機(jī)磷百分?jǐn)?shù)?？梢钥闯?，試驗(yàn)前土壤的組成中，各形態(tài)無(wú)機(jī)磷的大小比例為Ca10-P(53.35%)>O-P(28.61%)>Al-P(6.38%)>Fe-P(5.97%)>Ca8-P(4.07%)>Ca2-P(1.63%)，這與紫色菜園土中無(wú)機(jī)磷含量順序Ca10-P>Ca8-P>Fe-P≈Al-P≈O-P>Ca2-P不同[29]。與棕壤土各無(wú)機(jī)磷組分比例也不盡相同，棕壤土中閉蓄態(tài)O-P含量較多[7]。經(jīng)過(guò)22年施肥后，各個(gè)處理不同形態(tài)無(wú)機(jī)磷比例發(fā)生了變化，其中

圖1　不同施肥處理各組分無(wú)機(jī)磷相對(duì)含量Fig.1　Effect of different tillage treatment on inorganic phosphorus relative content

不施肥(CK)和單施氮肥(N)處理的Ca8-P含量大于Fe-P。從圖1中看出，紫色土中鈣磷總體所占比例較高，這是紫色土風(fēng)化程度較低的緣故。其中對(duì)植物有效的磷源Al-P、Ca2-P、Ca8-P含量較低，而O-P，Ca10-P含量分別占到總的無(wú)機(jī)磷的23.14%～37.59%和40.48%～64.90%之多。說(shuō)明土壤中對(duì)植物體比較有效的磷源不足，而一半左右的無(wú)機(jī)磷都是以潛在磷源的形式存在。

通過(guò)圖1還可以看出有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理M+NPK和S+NPK土壤Fe-P比例增加比較明顯，而Ca10-P，O-P比例則是下降比較明顯。所以，長(zhǎng)期施肥可以改變土壤中不同形態(tài)無(wú)機(jī)磷的大小比例。

2.4長(zhǎng)期定位施肥對(duì)紫色土無(wú)機(jī)磷各組分剖面分布的影響

從表3可以看出，長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)后，各處理Ca2-P含量分布均為耕層0～20 cm最高，隨著深度增加，逐漸減少。其中20～60 cm下降比較迅速，60～100 cm區(qū)間變化比較小。不施肥(CK)和單施氮肥(N)處理的Ca2-P含量耕層0～20 cm比下層40～60 cm高出0.8～4.5 mg/kg，差異不顯著。而其他施用化學(xué)磷肥(NP、NPK)和有機(jī)無(wú)機(jī)配施(M+NPK、S+NPK)的各處理表層較下層高出達(dá)13.8～23.2 mg/kg，增加效果非常顯著。另外，有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理的Ca2-P平均含量都要高于單施化肥和不施肥處理區(qū)。耕層各處理差異顯著，但是在60 cm以下差異不明顯，這說(shuō)明磷在土壤中的移動(dòng)不大。長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)后，各處理Ca8-P含量分布與Ca2-P趨勢(shì)較為一致，均為耕層0～20 cm最高，然后隨著土壤深度的增加，含量逐漸下降，80～100 cm深度含量又稍有增加。0～20 cm土層施用化學(xué)磷肥區(qū)和有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理區(qū)Ca8-P含量分別為20.7和32.5 mg/kg，不施肥處理CK僅為12.4 mg/kg。60～80 cm土層中Ca8-P的含量在化肥處理區(qū)相當(dāng)于0～20 cm土層的29.4%，在有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理區(qū)相當(dāng)于0～20 cm土層的20.4%。

22年試驗(yàn)后，各處理土層除單施N肥處理Al-P含量耕層0～20 cm較20～40 cm偏低2.3 mg/kg，不施肥的CK處理和其他施肥處理的土層Al-P含量均為0～20 cm最高，隨著深度增加呈逐步下降的趨勢(shì)，在80～100 cm深處有所升高。與試驗(yàn)前土壤相比，其中單施N肥處理和不施肥的CK處理，耕層土壤Al-P含量分別降低了9.2和14.8 mg/kg。而其他處理0～20 cm耕層土壤Al-P含量增加了14.9～56.7 mg/kg。20～100 cm各土層中有機(jī)肥處理區(qū)的Al-P含量都要高于不施肥和施用化肥區(qū)的，就說(shuō)明施用有機(jī)肥有利于磷素向土壤下部遷移，王建國(guó)等[30]和楊學(xué)云等[13]在水稻土和塿土上的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。

從表3不同施肥處理土壤Fe-P剖面分布可以看出與其他形態(tài)磷剖面分布不太一致。20～40 cm土層中Fe-P含量要高于表層0～20 cm。單施氮肥(N)和不施肥處理(CK)與試驗(yàn)前土壤比較均有下降。對(duì)于出現(xiàn)下層土壤Fe-P高于耕層土壤的原因可能是因?yàn)樵囼?yàn)是實(shí)行的水旱輪作制度，當(dāng)水稻季時(shí)，由于淹水密閉，水土環(huán)境的pH升高，氧化還原電位降低，從而促進(jìn)磷酸鐵的水解加強(qiáng)，高價(jià)鐵的磷酸鹽還原為低價(jià)鐵的磷酸鹽，鐵、硅復(fù)合體也被還原。下層還原更強(qiáng)，再者上層形成的Fe-P又向下淋溶導(dǎo)致下層土壤中Fe-P含量高于耕層土壤。

表3中Ca10-P含量在不施肥和施化肥的處理區(qū)上下變化不大，即隨著土層的深入變化不太大。不施肥(CK)和單施N肥區(qū)0～20 cm的耕層比下部20～40 cm要低6.9和3.7 mg/kg。這是因?yàn)橥寥乐械臒o(wú)機(jī)磷在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化，缺磷條件下潛在磷源Ca10-P轉(zhuǎn)化分解為可以為植物體所吸收利用的有效磷源。不同施肥處理土壤O-P剖面分布，整體上看O-P含量也是隨著土層的深入呈下降趨勢(shì)。在80 cm以下稍微有所增加。0～20 cm耕層較40～60 cm土層增加了32.3～122.4 mg/kg。20～40 cm土層中O-P含量在施用化肥區(qū)和有機(jī)無(wú)機(jī)配施區(qū)分別相當(dāng)于表層的79%和82%，0～60 cm土層中分別相當(dāng)于表層的37%和29%。造成耕層高于底層的原因可能是因?yàn)殚]蓄態(tài)的磷被鐵鋁等氧化物包裹，在下層土壤中由于還原性強(qiáng)，包膜被溶解還原，轉(zhuǎn)化為非閉蓄態(tài)的磷，從而造成了底部O-P含量低于耕層的分布特征。

表3　不同施肥處理土壤剖面各形態(tài)無(wú)機(jī)磷含量

2.5土壤各形態(tài)磷與土壤pH和有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系分析

表4為土壤各形態(tài)磷及其與土壤基本理化性質(zhì)相關(guān)分析結(jié)果，從表中可以看出各形態(tài)磷及其與土壤基本理化指標(biāo)之間多存在相關(guān)關(guān)系。土壤全磷與各形態(tài)無(wú)機(jī)磷之間均呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。作為反映土壤磷素養(yǎng)分供應(yīng)水平高低指標(biāo)的有效磷與全磷、Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、Al-P也均呈顯著的相關(guān)關(guān)系。從表中還可以看出土壤pH與各組分磷及其全磷之間大多呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過(guò)各組分之間的相關(guān)分析可以看出，土壤磷循環(huán)系統(tǒng)中，各形態(tài)磷素都處在一個(gè)相互影響的動(dòng)態(tài)平衡之中。

通過(guò)表4的相關(guān)分析，土壤有效磷與各形態(tài)無(wú)機(jī)磷組分之間的相關(guān)系數(shù)大小為Ca2-P(0.9569)>Al-P(0.9265)>Ca8-P(0.9100)>Fe-P(0.8277)>Ca10-P(0.7449)>O-P(0.7362),與Ca2-P、Al-P呈極顯著正相關(guān)，與Ca8-P、Fe-P呈顯著正相關(guān)，與Ca10-P、O-P呈不顯著的正相關(guān)。其中有效磷與Ca2-P的相關(guān)系數(shù)最大，說(shuō)明它們之間的相關(guān)程度最高，也表明Ca2-P是最有效的磷源。Al-P、Ca8-P、Fe-P是僅次于Ca2-P的有效磷源，Ca10-P和O-P為非有效磷源。

表4　土壤各形態(tài)磷及其與土壤pH、有機(jī)質(zhì)相關(guān)系數(shù)

*:P<0.05; **:P<0.01.

3討論

我國(guó)南方土壤中一般都含有大量的無(wú)定型的AlOx、FeOx，當(dāng)磷肥施進(jìn)土壤之后，歷經(jīng)一系列復(fù)雜的物理化學(xué)和生物化學(xué)過(guò)程，極易被此類(lèi)土壤礦物吸附形成難溶的磷酸鹽[31]，從而就極大地降低了磷肥的利用率。怎樣提高土壤中磷素的有效性問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。土壤中同時(shí)存在無(wú)機(jī)態(tài)磷和有機(jī)態(tài)磷，它們之間相互轉(zhuǎn)化又相互制約，根據(jù)磷酸根離子結(jié)合的土壤氧化物不同，可以把土壤無(wú)機(jī)磷根據(jù)形態(tài)的不同分為四大類(lèi)，鈣磷(Ca-P)、鋁磷(Al-P)、鐵磷(Fe-P)、閉蓄態(tài)磷(O-P)，其中無(wú)機(jī)磷比有機(jī)磷的有效性要高，因此研究土壤無(wú)機(jī)磷的較多。影響土壤磷素之間轉(zhuǎn)化以及對(duì)植物有效性的因素非常復(fù)雜，包括環(huán)境因子、土壤本身的物理化學(xué)性質(zhì)、地理氣候條件、耕作施肥方式等等。其中不同的磷肥施用方式和磷肥施用量會(huì)對(duì)土壤中磷素的含量和有效性產(chǎn)生極顯著的差異。目前磷素主要是以化學(xué)磷肥和有機(jī)磷肥形式施入土壤的，有研究指出，長(zhǎng)期施用磷肥，土壤中各形態(tài)磷均會(huì)有不同程度累積。來(lái)璐等[32]對(duì)18年連作苜蓿長(zhǎng)期施肥處理?xiàng)l件下黃土中磷素進(jìn)行研究，Han等[33]對(duì)長(zhǎng)期施肥條件下黑土土壤磷素進(jìn)行研究，黃慶海等[34]在紅壤水稻土上進(jìn)行的長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)都表明不施磷肥處理的耕層土壤中磷處于耗竭狀態(tài)，施肥可以顯著提高土壤耕層中全磷含量，從而土壤中有效磷也會(huì)有一定的累積。周寶庫(kù)和張喜林[35]發(fā)現(xiàn)在黑土上長(zhǎng)期施用磷肥可以使黑土有效磷增加6～15倍，全磷也增加高達(dá)53.9%～65.7%。黃紹敏等[36]研究麥-玉輪作方式下14年長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)對(duì)潮土中磷素累積的影響發(fā)現(xiàn),殘留在土壤中的磷素與施入土壤中的磷素成正比，其中有機(jī)肥處理的磷素利用率要高于純無(wú)機(jī)磷肥處理，并且化學(xué)磷肥與生物有機(jī)肥配合施用可以大大提高土壤中有效磷的含量，本研究與其一致。但是通常大部分的有機(jī)肥本身含磷量很低，且有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為能被植物體利用的礦質(zhì)態(tài)磷還要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間，并且轉(zhuǎn)化需要一定的溫度水分和微生物分解。

針對(duì)不同形態(tài)無(wú)機(jī)磷對(duì)有效磷的有效性，王艷玲等[37]研究了黑土，得出的結(jié)論是Ca2-P>Al-P>Fe-P>Ca8-P>O-P>Ca10-P，林德喜等[38]研究黑土得出的結(jié)論是Fe-P>Ca10-P>Al-P>Ca8-P>Ca2-P>O-P。本研究在紫色土上研究的結(jié)果與其略有不同。黃慶海等[34]在紅壤水稻土上研究發(fā)現(xiàn)各組分無(wú)機(jī)磷主要以O(shè)-P和Fe-P為主，其次是Ca10-P和Al-P。本研究在紫色水稻土上研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施肥過(guò)后土壤中磷以閉蓄態(tài)O-P和Ca10-P為主。

土壤吸附固定磷素的容量很大，因此土壤中磷素也不易移動(dòng)，磷肥整體的有效性和利用率都偏低，故長(zhǎng)期施肥就會(huì)導(dǎo)致土壤耕層中的磷素大量累積。但是長(zhǎng)期的有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施模式下，有機(jī)肥在分解作用下產(chǎn)生有機(jī)酸，有機(jī)酸與磷酸根之間競(jìng)爭(zhēng)吸附，從而會(huì)降低土壤礦物僅僅對(duì)磷酸根的吸附，同時(shí)有機(jī)酸根離子與土壤中各種金屬離子可以發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，可以在一定程度上消除土壤磷的吸附位點(diǎn)。這樣一來(lái)磷素在土壤中的遷移就會(huì)變得相對(duì)容易。李想等[39]研究了有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合對(duì)土壤磷素吸附、解吸和遷移的影響，發(fā)現(xiàn)了有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可以減少磷素的固定，可以促進(jìn)磷素在土壤中遷移。本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理的底層土壤中各形態(tài)無(wú)機(jī)磷含量都要高于單施化肥處理，正說(shuō)明了這一點(diǎn)。

隨著農(nóng)田中化學(xué)肥料的長(zhǎng)期施用，土壤中磷素出現(xiàn)盈余，尤其在施用化肥的同時(shí)配施有機(jī)肥可以使磷素在土壤中顯著累積，并出現(xiàn)向下遷移的趨勢(shì)，農(nóng)田土壤磷素對(duì)水環(huán)境影響的潛能明顯提高。因此在施用有機(jī)肥的同時(shí)要考慮有機(jī)磷帶入量以及土壤中多余累積的磷素的去向問(wèn)題。

4結(jié)論

由22年肥料定位試驗(yàn)結(jié)果可以看出，長(zhǎng)期施用化學(xué)磷肥以及有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理的土壤上下層全磷、有效磷和各形態(tài)無(wú)機(jī)磷均有不同程度的增加，增加幅度大小都是有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理區(qū)>化學(xué)磷肥施用區(qū)>不施肥或者單施N肥處理區(qū)。其中表層增加比較顯著。而隨著土層深度的增加各形態(tài)無(wú)機(jī)磷含量都有逐漸減小的趨勢(shì)，但是在80～100 cm土層深度都有不同程度的升高。Fe-P整體趨勢(shì)為下層土壤含量高于耕層土壤。由此可見(jiàn)，雖然說(shuō)土壤中P移動(dòng)性較小，但是長(zhǎng)期持續(xù)施肥，土壤中P素可以不同程度的向下遷移，尤其是施用有機(jī)肥更容易造成P素的向下移動(dòng)。紫色土不同形態(tài)磷素之間存在著顯著正相關(guān)關(guān)系，無(wú)機(jī)磷各組分對(duì)紫色土有效磷的貢獻(xiàn)為Ca2-P>Al-P>Ca8-P>Fe-P>Ca10-P>O-P。

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Inorganic phosphorus in a regosol (purple) soil under long-term phosphorus

fertilization

HAN Xiao-Fei1, GAO Ming1, XIE De-Ti1*, WANG Zi-Fang1, CHEN Chen2

1.CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China; 2.InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,LiaoningProvincialDevelopmentandReformCommission,Shenyang110034,China

Abstract:The Jiang Bofan-Gu Yichu Inorganic Phosphorus Grading System was used to grade measurements of different inorganic phosphorus forms in the 0-100 cm soil layer under a long term (22 years) fertilizer application trial.Total phosphorus, available phosphorus and inorganic phosphorus all increased in soils receiving long-term application of chemical phosphate fertilizer and treatments combining organic and chemical fertilizer [pig manure+NPK (M+NPK)].Available phosphorus increased by a factor of six while available phosphorus, total phosphorus, and various forms of inorganic phosphorus reduced in soil without fertilizer. In addition the Fe-P and Ca(10)-P content in the lower soil layers were higher than those in the upper layers; the same trend was apparent in all inorganic phosphorus forms. The distribution profiles for inorganic phosphorus including Ca2-P, Al-P, Ca8-P, and O-P were similar, all reduced rapidly between 20-60 cm soil depth but few changes were observed at 80-100 cm depth. The relative contribution of various forms of inorganic phosphorus to soil phosphorus was Ca2-P(0.9569)>Al-P(0.9265)>Ca8-P(0.9100)>Fe-P(0.8277)>Ca(10)-P(0.7449)>O-P(0.7362). Long-term application of organic and inorganic fertilizers to regosol soil could significantly increase the accumulation of phosphorus, suppress phosphorus fixation, enhance phosphorus mobility and improve phosphorus use efficiency.

Key words:purple soil; long-term located experiment; morphologies of inorganic phosphorus

*通信作者

Corresponding author. E-mail：xdt@swu.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：韓曉飛(1984-)，男，河南葉縣人，在讀博士。E-mail：hanxiaofei55@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFG92520)，國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD15B04003)和西南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(XDJK2013D005)資助。

*收稿日期：2015-11-10；改回日期：2015-12-28

DOI：10.11686/cyxb2015509

http://cyxb.lzu.edu.cn

韓曉飛, 高明, 謝德體, 王子芳, 陳晨. 長(zhǎng)期定位施肥條件下紫色土無(wú)機(jī)磷形態(tài)演變研究.草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(4): 63-72.

HAN Xiao-Fei, GAO Ming, XIE De-Ti, WANG Zi-Fang, CHEN Chen. Inorganic phosphorus in a regosol (purple) soil under long-term phosphorus fertilization. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(4): 63-72.